第二讲-AspenPlus精馏分离的仿真设计PPT课件

.,1,SimulationDesignofSeparationProcessesbyAspenPlus精馏分离的仿真设计华东理工大学凌昊,中国化工学会培训中心中国石油和化学工业协会培训中心,.,2,塔设备单元模型分类,DSTWUDistlRadFracExtract,塔设备(Columns)单元共有9种模块：,MultiFracSCFracPetroFracRateFracBatchFrac,.,3,.,4,DSTWU简捷精馏（设计）,DSTWU模块用Winn-Underwood-Gilliland简捷算法进行精馏塔的设计，根据给定的加料条件和分离要求计算最小回流比、最小理论板数、给定回流比下的理论板数和加料板位置。,.,5,.,6,连接,DSTWU模型的连接图如下：,.,7,1、塔设定(Columnspecifications)（1）塔板数(Numberofstages)（2）回流比(Refluxratio)0,实际回流比；1；饱和液体q=1；气液混合物q1；饱和蒸气=0；过热蒸气0。,.,29,RadFrac严格精馏模块,RadFrac模块同时联解物料平衡、能量平衡和相平衡关系，用逐板计算方法求解给定塔设备的操作结果。RadFrac模块用于精确计算精馏塔、吸收塔（板式塔或填料塔）的分离能力和设备参数。,.,30,.,31,连接,RadFrac模块的连接图如下：,.,32,模型设定,RadFrac模型具有以下设定表单：1、配置（Configuration）2、流股（Streams）3、压强（Pressure）4、冷凝器（Condenser）5、再沸器（Reboiler）6、三相（3-Phase）,.,33,配置,配置表单包含以下项目：1、塔板数（NumberofStages）2、冷凝器（Condenser）3、再沸器（Reboiler）4、有效相态（ValidPhase）5、收敛方法（Convergence)6、操作设定（OperationSpecifications),.,34,.,35,(1)冷凝器,冷凝器配置从四个选项中选择一种：1、全凝器（Total）2、部分冷凝-汽相馏出物（Partial-Vapor）3、部分冷凝-汽相和液相馏出物（Partial-Vapor-Liquid）4、无冷凝器(None),.,36,.,37,(2)再沸器,三个选项中选择一种：1、釜式再沸器（Kettle）2、热虹吸式再沸器（Thermosyphon）3、无再沸器(None),.,38,热虹吸式再沸器（Thermosyphon）,.,39,.,40,(3)有效相态,有效相态从四个选项中选择一种：1、汽-液（Vapor-Liquid）2、汽-液-液（Vapor-Liquid-Liquid）3、汽-液-冷凝器游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterCondensor）4、汽-液-任意塔板游离水（Vapor-Liquid-FreeWaterAnyStage）,.,41,.,42,(4)收敛方法,体系收敛方法从六个选项中选择一种：1、标准方法（Standard）2、石油/宽沸程（Petroleum/Wide-Boiling）3、强非理想液相（StronglyNon-idealLiquid）4、共沸体系（Azeotropic）5、深度冷冻体系（Cryogenic）6、用户定义（Custom）,.,43,.,44,(5)操作设定,1、回流比（RefluxRatio）2、回流速率（RefluxRate）3、馏出物速率（DistillateRate)4、塔底物速率（BottomsRate)5、上升蒸汽速率（BoilupRate),操作设定从十个选项中选择：,.,45,6、上升蒸汽比（BoilupRatio)7、上升蒸汽/进料比（BoiluptoFeedRatio)8、馏出物/进料比（DistillatetoFeedRatio)9、冷凝器热负荷（CondenserDuty)10、再沸器热负荷（ReboilerDuty),操作设定从十个选项中选择：,.,46,.,47,(6)流股,1、进料流股（FeedStreams）指定每一股进料的加料板位置。2、产品流股（ProductStreams）指定每一股侧线产品的出料板位置及产量。,在流股表单中设置以下参数：,.,48,.,49,(7)压强,从三种方式（View）中选择一种1、塔顶/塔底（Top/Bottom）指定塔顶压力、冷凝器压降和塔压降。2、压力剖型（PressureProfile）指定每一块塔板压力。3、塔段压降（SectionPressureDrop）指定每一塔段的压降。,在压强表单中设置以下参数：,.,50,.,51,(8)冷凝器,冷凝器设定有两组参数：,1、冷凝器指标（CondenserSpecification）仅仅应用于部分冷凝器。只需指定冷凝温度（Temperature）和蒸汽分率（VaporFraction）两个参数之一。,.,52,.,53,2、过冷态（Subcooling）1）过冷选项（Subcoolingoption）回流物和馏出物都过冷(Bothrefluxandliquiddistillatearesubcooled)/仅仅回流物过冷(Onlyrefluxissubcooled)2）过冷指标（Subcoolingspecification）过冷物温度(Subcooledtemperature)/过冷度(Degreesofsubcooled),冷凝器设定有两组参数：,.,54,.,55,(9)再沸器,如选用了热虹吸再沸器，则需要进行设置：,1、指定再沸器流量（Specifyreboilerflowrate）2、指定再沸器出口条件（Specifyreboileroutletcondition）3、同时指定流量和出口条件（Specifybothflowandoutletcondition）,.,56,.,57,RadFrac的计算结果从三部分查看：1、结果简汇（Resultssummary）2、分布剖形（Profiles）3、流股结果（Streamresults）,(10)结果查看,.,58,结果简汇给出塔顶（冷凝器）和塔底（再沸器）的温度、热负荷、流量、回流比和上升蒸汽比等参数，以及每一组份在各出塔物流中的分配比率。,.,59,.,60,分布剖形给出塔内各塔板上的温度、压力、热负荷、相平衡参数，以及每一相态的流量、组成和物性。据此可确定最佳加料板和侧线出料板位置。,（11）分布剖形Profile,.,61,.,62,.,63,根据DSTWU示例（2）的结果，选取R=25、NT=69、NF=40，用RadFrac模块进行精确计算。再根据浓度分布剖形结果选取最佳进料板位置，重新进行校核计算。,应用示例(4),.,64,.,65,.,66,RadFrac设计规定,RadFrac模型带有内部的设计规定功能，通过设计规定(DesignSpecs)和变化(Vary)两组对象进行设定。主要目标：产品纯度下最优能耗。可以设置多个设计规定对象和多个变化对象，但要注意两者间的依赖关系和自由度必须吻合，否则不能收敛。,.,67,新建Designspecs和Vary注意次序一一对应。,.,68,设计规定对象通过以下三张表单设置规定指标1、规定(Specification)2、组分(Components)3、进料/产物流股(Feed/ProductStreams),.,69,在规定表单中输入以下指标1、类型(Type)有36种变量类型共选用2、目标(Target)设定规定变量的目标值3、流股类型(Streamtype)产物(Product)/内部(Internal)/倾析器(Decanter),.,70,在组分表单中输入定义目标值的组分(Components)（分子）和基准组分(BaseComponents)（分母）。从左侧可用组分(Availablecomponents)框中选择需用组分到右侧的选用组分(SelectedComponents)框中.,.,71,设计规定对象Designspec.,在进料/产物流股表单中选择定义设计规定目标值的流股名称.在变化对象的Specification表单中输入调节变量及其调节范围的上、下限值。,.,72,（1）目标spec,（2）选定组成,（3）选定物流,Designspecs的输入方法,.,73,Vary的输入方法,注意Vary有时需和一一输入变量对应,.,74,Sepc-vary应用示例,试模拟BTX分离的苯塔和甲苯塔分离模型，并对采用spec-vary进行优化。,.,75,BTX分离流程图,目标（1）苯中甲苯含量不超过0.0005wt；（2）苯塔釜底产物苯含量不超过0.005wt；（3）甲苯中二甲苯含量不超过0.0005wt；（4）甲苯收率不低于98wt%；,.,76,Componentsandfeed,Property:chao-sea,.,77,苯塔输入参数,.,78,甲苯塔输入参数,.,79,目标值,目标组分,目标物流,DesignSpecs的输入方法,设计规范,流股类型,三部曲,.,80,调整的变量,搜索区间,最大迭代步长,Vary的输入方法,.,81,塔板效率,RadFrac模块可以设定实际塔板的板效率(Efficiencies)。用户可选用蒸发效率(VaporizationEfficiencies)或墨弗里效率(MurphreeEfficiencies)，并选择指定单块板的效率，单个组分的效率，或者塔段的效率。,.,82,蒸发效率,VaporizationEfficiencies定义如下,下标i代表组分，j代表塔板编号。,.,83,墨弗里效率,MurphreeEfficiencies定义如下,下标i代表组分，j代表塔板编号。,.,84,.,85,.,86,如果示例BTX中的精馏段的墨弗里效率为0.65，提馏段的墨弗里效率为0.75，试求满足分离要求所需的塔板数、加料板位置和回流比。,.,87,报告选项,报告（Report）中有一项对塔板设计非常重要，即性质选项（Propertyoptions）里的包括水力学参数（Includehydraulicparameters）选项。另外剖形选项（Profileoptions）里包括哪些塔板（Stagestobeincludedinreport）也很有用。,.,88,.,89,.,90,选择了包括水力学参数（Includehydraulicparameters）选项后，剖形结果中将给出指定塔板上的汽、液两相的体积流量、密度、粘度和表面张力等塔板设计所需的参数。,.,91,查看示例BTX的水力学计算结果。,.,92,模型分析工具,灵敏度分析Sensitivity优化Optimization数据拟合DataFit事件分析CaseStudy费用估计CostEstimation,.,93,灵敏度分析,对苯塔的进料板位置进行灵敏度分析。目标：最小能耗，reboilerdutry变量：进料板位置，Feedstage,.,94,灵敏度分析,首先建立一个S-1,.,95,灵敏度分析,输入变量名，并定义目标变量,.,96,灵敏度分析,输入变量名，并定义目标变量,.,97,点击Edit,弹出目标变量选择窗口,.,98,项目,目标变量类型,模块,变量,描述,单位,.,99,目标变量选择,变量解释,.,100,优化变量的输入,目标变量类型,模块,变量,描述,单位,变化区间,步长,点数,.,101,报表选项,表列数,表列变量内容,.,102,可选内容,设置完成后按按钮执行。,.,103,点击,计算结果,最优值,运行状态,.,104,优化,采用Designspec.和vary方法计算的结果,.,105,目标产品纯度已达到，单塔已获得优化结果是否已得到最优能耗？,.,106,优化目标,限定条件,.,107,输入优化目标和限定条件,（1）定义变量,变量类型,变量类型,变量归属,变量,描述,.,108,（2）限定条件,定义需要约束的变量,变量名,约束范围,最小误差(按要求设定),设定其他限定条件后，进行优化设置。,.,109,目标表达式,选择的约束,（3）输入表达式和约束条件,需要提前建立,.,110,（4）自变量的选择,低限,低限,自变量选择,迭代步长选项,报告选项,.,111,（5）运行并查看结果,.,112,复杂精馏过程,.,113,塔板设计,塔板设计(Traysizing)计算给定板间距下的塔径。可将塔分成多个塔段分别设计合适的塔板。在Specification表单中输入该塔段(Trayedsection)的起始塔板(Startingstage)和结束塔板(Endingstage)序号，塔板类型(Traytype)，塔板流型程数(Numberofpasses)，以及板间距(Trayspacing)等几何结构(Geometry)参数。,.,114,.,115,设置好后运行计算。,.,116,单通道塔板,.,117,双通道塔板,.,118,塔板类型提供了五种塔板供选用：1、泡罩塔板（BubbleCap）2、筛板（Sieve）3、浮阀塔板（GlistchBallast）4、弹性浮阀塔板（KochFlexitray）5、条形浮阀塔板（NutterFloatValve),.,119,结果(Results)表单中给出计算得到的塔内径(Columndiameter)、对应最大塔内径的塔板序号(Stagewithmaximumdiameter)、降液管截面积/塔截面积(Downcomerarea/Columnarea)、侧降液管流速(Sidedowncomervelocity)、侧堰长(Sideweirlength)。,.,120,降液密封区,降液区,鼓泡区,.,121,剖形(Profiles)表单中给出每一块塔板对应的塔内径(Diameter)、塔板总面积(Totalarea)、塔板有效区面积(Activearea)、侧降液管截面积(Sidedowncomerarea)。,.,122,.,123,塔板核算,塔板核算（Trayrating）计算给定结构参数的塔板的负荷情况，可供选用的塔板类型与“塔板设计”中相同。“塔板设计”与“塔板核算”配合使用，可以完成塔板选型和工艺参数设计。,.,124,“塔板核算”的输入参数除了从“塔板设计”带来的之外，还应补充塔盘厚度(Deckthickness)和溢流堰高度(Weirheights)，多流型塔板应对每一种塔盘都输入堰高。,.,125,塔板核算（3）,注意单位！,厚度10-15Gauge,堰高50-75mm,300-450mm,.,126,.,127,塔板核算（4）,在塔板布置(Layout)表单中输入：浮阀的类型(Valvetype)、材质(Material)、厚度(Thickness)、有效区浮阀数目(Numberofvalvestoactivearea)；筛孔直径(Holediameter)和开孔率(Sieveholeareatoactiveareafraction)。,.,128,塔板核算（5）,12mm左右最好,.,129,塔板核算（7）,在降液管(Downcomer)表单中输入：降液管底隙(Clearance)；顶部宽度(Widthattop)；底部宽度(Widthatbottom)；直段高度(Straightheight)。,.,130,塔板核算结果在结果(Results)表单中列出，有三个参数应重点关注：1、最大液泛因子(Maximumfloodingfactor)，应该小于0.8；2、塔段压降(Sectionpressuredrop)；3、最大降液管液位/板间距(Maximumbackup/Trayspacing)，应该在0.250.5之间。,.,131,.,132,应用示例(5),在示例（4）的基础上进行塔板设计和塔板核算，分别选用浮阀塔板和弹性浮阀塔板计算后对比结果。,.,133,一个计算实例,.,134,.,135,.,136,.,137,填料设计,填料设计(Packsizing)计算选用某种填料时的塔内径。在Specification表单中输入填料类型(Type)、生产厂商(Vendor)、材料(Material)、板材厚度(Sheetthickness)、尺寸(Size)、等板高度(Heightequivalenttoatheoriticalplate)等参数。,.,138,填料设计（2）,填料厚度,.,139,填料设计（3）,填料类型共有40种填料供选用，以下是5种典型的散堆填料：,1、拉西环（RASCHIG）2、鲍尔环（PALL）3、阶梯环（CMR）4、矩鞍环（INTX）5、超级环（SUPERRING）,.,140,.,141,填料设计（4）,填料类型共有40种填料供选用，以下是5种典型的规整填料：,1、带孔板波填料（MELLAPAK）2、带孔网波填料（CY）3、带缝板波填料（RALU-PAK）4、陶瓷板波填料（KERAPAK）5、格栅规整填料（FLEXIGRID）,.,142,规整填料的特点：（1）规整填料压降小，筛板塔的1/4；（2）持液量小，塔容积的1-6%；（3）分离效率较高；（4）空隙率大，通量大，综合处理能力强。（5）工业放大效应不明显。,.,143,填料设计（5）,规整填料,250为比表面积m2/m3X为波纹与垂直方向的倾角,金属板厚度0.1-0.6mm,.,144,填料设计（6）,结果(Results)表单中给出计算塔内径(Columndiameter)、最大负荷分率(Maximumfractionalcapacity)、最大负荷因子(Maximumcapacityfractor)、塔段压降(Sectionpressuredrop)、比表面积(Surfacearea)等参数。,.,145,填料核算,填料核算（Packrating）计算给定结构参数的填料的负荷情况，可供选用的填料类型与“填料设计”中相同。“填料设计”与“填料核算”配合使用，可以完成填料选型和工艺参数设计。,.,146,填料核算（2）,.,147,应用示例(6),对甲苯塔基础上先进行效率设定，然后进行填料设计和填料核算，分别选用MELLPAK和RALU-PAK计算后对比结果。,.,148,吸收计算,RadFrac模块用于吸收计算